基于環境工程真實問題探究的分析化學理論與實踐教學

李秀麗, 邴乃慈

(上海第二工業大學 環境與材料工程學院，上海 201209)

基于環境工程真實問題探究的分析化學理論與實踐教學

李秀麗, 邴乃慈

(上海第二工業大學 環境與材料工程學院，上海 201209)

根據環境工程專業分析化學理論與實踐教學的特點，針對當前基礎課程與專業知識銜接不夠緊密，理論課與實踐課脫節等問題，以培養學生自主學習能力，提高環境工程專業學生的培養質量為目的，提出基于環境工程真實問題探究的分析化學理論與實踐教學方法。該方法以環境工程專業實際問題為指引，帶領學生探究學習，學生通過問題剖析、文獻檢索、方法分析、實驗方案設計、實驗操作、實驗結果分析、總結報告撰寫等一系列教學活動，逐步深入學習，自主完成知識體系的構建，并最終解決問題，形成學習能力。

環境工程； 分析化學； 實驗教學； 學習能力

0 引 言

環境工程專業是由多學科相互滲透、交叉的綜合性學科，需要扎實的化學基礎知識[1]。《分析化學》是一門理論性高、應用性廣、實踐性強的課程，是高校環境類、化學化工類專業學生必修的一門專業基礎課[2]，實驗教學是分析化學教學的重要組成部分[3-4]。目前大部分高校基礎化學課程內容仍未走出學科的框架，內容的設置缺少與環境工程專業課程的銜接，課程的專業服務性不強導致學生的學習目標模糊。無機化學、有機化學及分析化學等化學系列基礎課程涉及的內容龐雜、理論抽象，學生普遍感覺學習吃力，學習效率不高[5]。而理論課程與實驗內容銜接不緊密的問題也較為突出，學生不能正確地應用基礎化學理論知識解決實際問題，基礎化學實驗內容零散，相互獨立分割，實驗教學中創新能力培養的源動力也不夠[6]。因此，采用理論與實踐貫通的教學方式，探索適應于環境工程專業崗位需求的基礎化學理論與實踐課程教學模式對于提高環境工程專業學生的培養質量具有重要的意義。

1 現狀分析

我校環境工程專業以電子廢棄物資源化為專業特色，為拓展學生就業方向，目前在保持原有專業特色的情況下，增加環境監測類課程的設置。這對分析化學課程提出了更新的要求，因為分析化學是后續儀器分析、環境監測、水污染控制工程、大氣污染控制工程等專業課程的基礎。作為一門重要的基礎課，有必要通過精心的課程設計來提高學生的學習興趣和學習效率。

從2004年開設環境工程本科專業之始，該專業課程結構不斷調整優化，但分析化學與實驗一直是環境工程專業一門重要的基礎課。在課程內容設置上，以經典的化學分析為主，主要是4類滴定分析，即酸堿滴定、氧化還原滴定、配位滴定和沉淀滴定分析，實驗課內容也以經典的操作練習類、驗證類實驗為主，較少涉及設計類實驗。有限的教學時數不可能把方方面面的內容都講到，只能以點帶面地去講，但是如果只是簡單地闡述這些滴定的原理及其方法會有些枯燥，學生學完理論知識后，并不知道這些理論知識有什么作用，也不清楚分析化學與所學專業之間有什么樣的聯系，因此需要結合專業領域的實際問題豐富課堂教學內容。

尤其從2015級本科生開始，學校開展學分制改革，本科各專業的總學分從原來的190～200削減到150左右，分析化學理論課也由48學時降為32學時。在較少的學時數內如何把重點內容講深講透，并保持住學生學習的好奇心；如何引入專業相關的實際問題，讓學生利用課外時間鉆研學習，最終達到理論與實際融會貫通；如何將理論知識融入實驗，真正做到理論指導實驗，實驗驗證理論，這些都是分析化學教學改革必須要思考的問題。

基于上述分析，提出了基于環境工程真實問題探究的分析化學理論與實踐教學方法。以建構主義理論作為教學設計的指導思想，以專業實際問題為指引，帶領學生探究學習，提倡由學生自己建構知識的過程，強調以學生的能力發展為本，不僅關注知識點的掌握，同時關注學習策略和分析問題、解決問題思路的掌握[7]。

2 基于真實問題探究的教學過程設計

環境專業中的分析化學問題其實有很多，對環境的大氣、水、土壤、固廢等質量進行檢測，所用檢測分析方法均由分析化學這門課程介紹[8]。如，天然水中鈣、鎂含量的測定；土壤中磷含量的測定；污水中化學需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)值的測定；污泥中氮含量測定；電子廢棄物中重金屬污染物含量的測定等。尤其污水COD值的測定，可以進行化學分析法和儀器分析法對比，在一個項目里學習兩種不同的分析方法，對兩種方法進行比較、總結，找出各自的優缺點，也對儀器分析方法有所了解和學習，增長實驗技能。

COD作為常規水質監測項目之一，是反映水體污染的重要指標，也是水體污染物總量控制指標。COD 的測定是環境工程專業學生的必備技能，其測定方法主要有重鉻酸鉀回流法[9]和快速消解分光光度法[10]。在分析化學課堂教學中，“氧化還原滴定”一章就涉及到COD的測定，并分別介紹了高錳酸鉀氧化和重鉻酸鉀氧化兩種方法，但在傳統的教學過程中，一般將COD測定作為氧化還原滴定的一個應用示例，在學時有限的情況下，甚至作為學生的一個課外閱讀內容一筆帶過。而在后續的環境監測課程中，一般只突出COD測定的應用，較少涉及對其理論知識的分析和測試原理的討論，以至于高年級學生提到COD的測定，只知道按照COD測定儀的操作手冊機械的進行操作，一旦在測試中遇到問題，不知道問題出在哪里，也不知道怎么解決，究其原因，還是缺乏對測試原理的基本認識。基于真實問題探究的教學過程，就是要讓學生通過對真實問題的探究學習，掌握理論知識的同時，能將理論知識與實際問題結合起來，探討解決問題的基本原理，學會將理論應用于實踐，知其然，也知其所以然。

COD測試的基本原理在于：采用定量強氧化劑(高錳酸鉀、重鉻酸鉀)氧化水樣中的有機物，再用還原劑標準溶液滴定過量的氧化劑。由于高錳酸鉀和重鉻酸鉀本身帶有顏色，故也可用比色方法判斷過量氧化劑的量，這里就涉及到分光光度法的知識。因此可將COD測定作為一個綜合性問題，在完成“氧化還原滴定法”和“分光光度法”理論教學內容后，提出來讓學生進行探討學習。具體教學過程設計如圖1所示。

(1) 問題提出。以教師為主導提出問題。在學習了“氧化還原滴定法”和“分光光度法”后，試分析COD測定的幾種方法，重點思考以下問題：① 為什么我國國家標準和環境行業標準均采用重鉻酸鉀作為氧化劑而不采用高錳酸鉀，即測試的是CODCr而非CODMn，其優勢何在？② 滴定法和分光光度法在原理上是否存在區別，各自的優勢在哪里？③滴定法和分光光度法在適用條件、檢出限、測試結果精密度上是否存在差異？

圖1 真實問提探究式教學過程設計

(2) 問題剖析。學生自主學習，分組討論開展問題剖析。首先查找文獻了解COD測定的不同方法。學生通過文獻的查閱會發現，目前COD的測定主要采用重鉻酸鉀氧化，分滴定法和分光光度法兩個大類[11]。而高錳酸鉀氧化的方法較少使用，原因是高錳酸鉀氧化法受Cl-的干擾較大，因此使用范圍受到限制，另外該方法必須嚴格控制加熱和沸騰的時間，因為KMnO4在酸性溶液中沸騰時不夠穩定，所以使用起來也不夠方便，不適于工業上大批量分析[12]。重鉻酸鉀氧化滴定法以國家標準GB/T11914《水質化學需氧量的測定重鉻酸鹽法》和國際標準ISO6060《水質化學需氧量的測定》為代表，其測定原理為：在硫酸酸性介質中，以重鉻酸鉀為氧化劑，硫酸銀為催化劑，硫酸汞為氯離子的掩蔽劑，消解反應液硫酸酸度為9 mol/L，加熱使消解反應液沸騰，(148±2)℃的沸點溫度為消解溫度。以水冷卻回流加熱反應2 h，消解液自然冷卻后，以試劑亞鐵靈為指示劑，以硫酸亞鐵銨溶液滴定剩余的重鉻酸鉀，根據硫酸亞鐵銨溶液的消耗量計算水樣的COD值。分光光度法以上述經典標準方法為基礎，重鉻酸鉀氧化有機物質，Cr6+生成Cr3+，通過Cr6+或Cr3+的吸光度值與水樣COD值建立的關系，來測定水樣COD值[13]。經典的標準方法需回流2 h消解，耗時太長，需使用汞鹽和大量的濃硫酸，分析費用高，且易造成二次污染。人們為提高分析速度，提出各種快速分析方法[14-15]，主要有2種:① 提高消解反應體系中氧化劑濃度，增加硫酸酸度，提高反應溫度，增加助催化劑等條件來提高反應速度；② 改變傳統的靠導熱輻射加熱消解的方式，而采用微波消解技術提高消解反應速度的方法。基于此，國內外很多儀器公司開發了各自的COD快速測定儀，一般配備特定的快速消解裝置、分光裝置和消解試劑、標準溶液，儀器內置標準曲線，即便沒有專業背景的人員，也能快速上手使用。

其次對比不同COD測定方法的優缺點和適用性。經典標準方法的優點是氧化率高，再現性好，準確可靠，其不足之處在于回流裝置占用實驗空間大，水、電消耗較大，試劑用量大，操作不便，難以大批量快速測定，不能滿足環境監測發展的要求。分光光度法是對經典標準方法的提高和改進，利用分光光度儀直接對消解液進行比色分析，減少了返滴定的步驟，相比于滴定時目視判斷滴定終點，儀器測定的結果也更為精確和穩定。而COD快速測定儀則將標準曲線內置于儀器內，操作者只需按照廠家提供的反應試劑配置溶液，消解后置于儀器內測定直接得到COD結果，相比于分光光度法分析更為簡便，對操作者的專業要求也不高。

最后，學生需分組進行課堂討論后，完成綜述報告。此過程大部分在課外時間進行，教師負責學生完成進度的把控和必要的答疑解惑。

(3) 實驗驗證。設計實驗方案，進行實驗驗證。分析化學是一門實踐性很強的課程，實驗是驗證理論分析是否合理最好也是最直接的方法[16]。我校分析化學實驗課是獨立設置的，共24學時，一般由理論課授課老師和實驗室輔助老師共同承擔，因此理論課老師可以較好地把控實驗課和理論課的銜接和互補問題。

學生分組完成問題剖析后，再分別設計滴定法和分光光度法兩種實驗方案。要求學生明確所采用的實驗方法，列出實驗需要的藥品和儀器，寫出完整的實驗步驟，以及實驗的注意事項，然后由教師與學生一起討論實驗方案的可行性，確定實驗方案后方可進入實驗室具體操作。本實驗作為《分析化學實驗》課程中的綜合性實驗，學生用自己設計的兩套實驗方案對同一實驗樣品進行COD測定，并與COD快速測定儀的測定結果進行對比，分析滴定法和分光光度法兩種實驗方案測定結果的差異。具體實驗實施方案如圖2所示。由于實驗采集實際水樣進行測定，學生還需事先了解水樣采集和保存的方法，實驗過程中亦需根據水樣具體情況及時調整實驗方案，如指示劑用量的確定，硫酸酸度、氧化劑濃度的選擇，吸收曲線的繪制等。因此,該實驗能較好地鍛煉學生分析問題、解決問題的綜合能力。

(4) 總結評價。教師對整個教學過程進行回顧總結，教學過程記錄在案，過程中產生的文件存檔保留。根據學生分組討論和分組實驗結果，評價打分，記入學生平時成績。最后，及時總結教學得失，完善教學方法。在本門課程的教學過程中，類似于上述真實問題探究的教學案例可以設計多個，如酸堿滴定中可以引入凱氏定氮法測定水中氨氮的問題；配位滴定中，可以引入污泥中多糖和蛋白質測定的問題。

圖2 COD測定實驗方案設計

3 結 語

本文以分析化學教學為例，探討基于真實問題探究的教學方法在環境工程專業基礎課程教學中的應用，對于其他相關基礎課程具有借鑒性。該教學方法以環境工程真實問題為切入點，引導學生探究學習。通過查閱資料，問題剖析，設計實驗方案，開展驗證實驗等一系列實踐操作，充分調動學生參與學習的主動性，激發學生的學習興趣，體現學生在教學活動中的主體地位。在此過程中，能夠讓學生體驗分析問題、解決問題的樂趣和成就感，自主完成知識體系的構建，并最終解決問題，有利于提高學習效率，促進學生的全面發展和進步。

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TheoreticalandPracticalTeachingofAnalyticalChemistryBasedonEnvironmentalEngineeringActualProblems

LIXiuli,BINGNaici

(School of Environmental and Materials Engineering, Shanghai Polytechnic University, Shanghai 201209, China)

In order to train the student’s autonomous learning ability and improve the cultivation quality of the environmental engineering students, a theoretical and practical teaching method of analytical chemistry based on the environmental engineering actual problem was proposed in this paper.The method was based on the theoretical and practical teaching characteristic of analytical chemistry of environmental engineering professional and also aimed at the problems that the connection of foundation course and specialty knowledge was loose and the course of theoretical and practical was disjointed.The method was guided the students exploring study by the actual problems of environmental engineering.The students were studied step-by-step followed by a series of teaching activities, such as problem analysis, information retrieval, method analysis, experimental scheme design, experimental operation, experimental results analysis and final report written.Finally, the knowledge system was structured by the students themselves and the learning ability was formed, the problems were solved else.

environmental engineering; analytical chemistry; experimental teaching; learning ability

G 642.0

A

1006-7167(2017)10-0223-04

2016-12-01

上海市重點課程建設《分析化學》；上海第二工業大學2017年度校基金-教育科研項目；上海第二工業大學培育學科建設(環境工程)(XXKPY1601)

李秀麗(1980-)，女，浙江杭州人，博士，講師，研究方向：固體廢物處理與處置技術，主要從事：環境工程化學類基礎課程理論與實驗教學。Tel.：021-50211231; E-mail：xlli@sspu.edu.cn